1、從地心說(shuō)到日心說(shuō)第一章時(shí)空與運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典表述時(shí)空與運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典表述2022/8/23第一講從地心宇宙觀到日心宇宙觀從地心宇宙觀到日心宇宙觀2022/8/23我仰望星空,它是那樣寥廓而深邃；那無(wú)窮的真理，讓我苦苦地求索、追隨。 溫家寶 2007年5月14日同濟(jì)大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院鐘廳 一個(gè)民族有一些關(guān)注天空的人，他們才有希望； 一個(gè)民族只是關(guān)心腳下的事情，那是沒(méi)有將來(lái)的。 從地心宇宙觀到日心宇宙觀螞蟻星云2022/8/23本講主要內(nèi)容1. 古希臘理論：地心宇宙2. 哥白尼理論：日心宇宙3. 開(kāi)普勒理論：太陽(yáng)為焦點(diǎn)的宇宙4. 亞里士多德物理學(xué)5. 伽利略的奉獻(xiàn)6. 物質(zhì)世界的空間尺度與時(shí)標(biāo)從地心宇宙觀到日

2、心宇宙觀2022/8/23地心宇宙觀1. 古希臘理論：地心宇宙 16世紀(jì)中葉之前,人類對(duì)自然的認(rèn)識(shí)受宗教、神學(xué)和迷信的影響很大。人們普遍認(rèn)為自然和天體的運(yùn)動(dòng)是神秘的，是有一只看不見(jiàn)的上帝之手控制的。而科學(xué)家的工作不過(guò)是論證和提醒上帝如何創(chuàng)造、支配世界和宇宙的。2022/8/23 古希臘學(xué)者亞里士多德提出，托勒密加以開(kāi)展的地心說(shuō)體系深化人心。人們認(rèn)為地球是宇宙的中心，太陽(yáng)和其他一切天體都圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)。 地心說(shuō)符合上帝造世和造人的教義，成為基督教理論的根據(jù)，其他一切均被視為異端邪說(shuō)。地心宇宙觀2022/8/23 古希臘人的天空幾何構(gòu)造：每個(gè)天體太陽(yáng)、月亮、水、金、火、木、土星都附在以地球?yàn)橹行牡耐?/p>

3、明球殼上，所有恒星都被嵌在一個(gè)透明球殼上，球殼繞地球勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。地心宇宙觀2022/8/23太陽(yáng)月球金星水星火星木星土星恒星 宇宙有“九重天”，這是九個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)著的同心的晶瑩球殼。最底的一重天是月亮天，其次是水星天和金星天；太陽(yáng)居于第四重天球上，它是宇宙的主宰，世界的靈魂，它以巨大的光輝照亮宇宙；第五到第七重天依次是火星天、木星天和土星天； 第八重是恒星天，全部恒星象寶石一般鑲嵌在這層天上；在恒星天上，還有一重最高天，即“原動(dòng)天”，那里是神靈居住的天堂。地球坐落在宇宙中心。地心宇宙觀2022/8/23亞里士多德的證據(jù)：大地是個(gè)固定不動(dòng)的球體。在月食時(shí)觀察到的地球投到月亮上的影子船只出海時(shí)沒(méi)入地平線在

4、北方陸地上中午時(shí)分太陽(yáng)在天空的位置較低冰島地心宇宙觀2022/8/23該理論存在的問(wèn)題： 不能解釋“行星的非勻速運(yùn)動(dòng)、“火星的逆行、“逆行時(shí)行星變亮。678910111212圖示：火星以恒星為背景的運(yùn)動(dòng)，它的停頓和逆行地心宇宙觀2022/8/23 為解釋矛盾，引入均輪、本輪理論，保存希臘思想家都支持的勻速圓周運(yùn)動(dòng)。 托勒密公元85165年的修正：保存“勻速圓周運(yùn)動(dòng)，引入均輪、本輪、偏心等距點(diǎn)等概念。延續(xù)了15個(gè)世紀(jì)。地心宇宙觀2022/8/23托勒密有兩個(gè)重要的功績(jī)： 把古代的“地心思想開(kāi)展成為系統(tǒng)的地心說(shuō)； 運(yùn)用模型方法，成功地解釋了他的宇宙理論。托勒密理論的兩個(gè)致命弱點(diǎn)： 認(rèn)為地球是靜止不

5、動(dòng)的宇宙中心； 認(rèn)為正圓運(yùn)動(dòng)是天體最完美的運(yùn)動(dòng)。地心宇宙觀2022/8/23雅典學(xué)院帕拉圖亞里斯多德。2022/8/232. 哥白尼理論：日心宇宙日心宇宙觀哥白尼14731543是波蘭人的后裔，出生在靠近波蘭國(guó)界的普魯士的托恩。他從事于三重職業(yè)達(dá)十三年之久：履行教會(huì)職務(wù)、行醫(yī)和研究天文學(xué)。提出日心說(shuō)的動(dòng)機(jī): 托勒密體系偏離了畢達(dá)哥拉斯思想，確少簡(jiǎn)潔與和諧 改革歷法2022/8/23日心宇宙觀2022/8/23 ?天體運(yùn)行論?是天文學(xué)上的偉大著作。哥白尼作為一個(gè)天主教徒深知這一理論太富于革命性，因擔(dān)憂天主教會(huì)的迫害，直到1543年他逝世前夕才發(fā)表了13年前已完成的著作。日心宇宙觀2022/8/2

6、3 哥白尼的天文學(xué)思想及其新的宇宙體系，第一次提醒了地球和其他行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的客觀規(guī)律，打破了主宰世界近2000年的地心說(shuō)體系，徹底動(dòng)搖了宗教教義的根底。日心宇宙觀2022/8/23恒星的球殼太陽(yáng)月亮地球日心宇宙觀2022/8/23哥白尼的根本觀點(diǎn)：1. 太陽(yáng)在宇宙中心；2. 行星和地球繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)；3. 地球有自轉(zhuǎn)，月亮是地球的衛(wèi)星。4. 行星在太陽(yáng)系中排列的秩 序是：離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的是土星（30年繞太陽(yáng)一周）；其次是木星（12年一周）；然后是火星（2年一周）；第四是地球和月亮（1年一周）；第五是金星（9個(gè)月一周）；離太陽(yáng)最近的是水星（80天一周）。恒星在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的一個(gè)天球面上靜止不動(dòng)。簡(jiǎn)單，實(shí)

7、用的日心宇宙日心宇宙觀2022/8/23地球火星哥白尼理論對(duì)逆行的說(shuō)明： 當(dāng)?shù)厍蜃愤^(guò)另一行星如火星時(shí)，由于地球上觀察者視線的轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)行星在恒星背景上看起來(lái)就象是向后運(yùn)動(dòng)。日心宇宙觀2022/8/23哥白尼的兩個(gè)重要功績(jī)： 打破了亞里士多德物理學(xué)中天地有別的界限 破除了亞里士多德的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)概念,引入運(yùn)動(dòng)相對(duì)性概念(暗示宇宙可能根本沒(méi)有中心)哥白尼理論的兩個(gè)時(shí)代局限： 認(rèn)為行星軌道是正圓形 認(rèn)為宇宙是有限的球。日心宇宙觀2022/8/23 日心說(shuō)觸怒了教會(huì)，?天體運(yùn)行論?列為禁書(shū)，布魯諾殉難是哥白尼日心說(shuō)經(jīng)受的第一次考驗(yàn) 。布魯諾Giordano Btuno，1548-1600 意大利天文學(xué)家。

8、 布魯諾是日心說(shuō)的宣傳者和保衛(wèi)者。他還以天才的直覺(jué)開(kāi)展了哥白尼的宇宙學(xué)說(shuō)，提出了宇宙無(wú)限的思想。布魯諾認(rèn)為，宇宙是統(tǒng)一的、物質(zhì)的、無(wú)限的，太陽(yáng)系之外還有無(wú)數(shù)多個(gè)世界。布魯諾超前于時(shí)代太多了，他的無(wú)限宇宙圖景差不多300年后才得到科學(xué)界的公認(rèn)。日心宇宙觀2022/8/23 布魯諾的激進(jìn)思想使天主教會(huì)暴跳如雷、惱羞成怒，1600年2月17日被宗教法庭處以火刑，活活燒死在羅馬鮮花廣場(chǎng)上。意大利羅馬鮮花廣場(chǎng)日心宇宙觀2022/8/23名人名言 黑暗即將過(guò)去，黎明即將到來(lái)，真理終將戰(zhàn)勝邪惡！火，不能征服我，將來(lái) 的世界會(huì)理解我，會(huì)知道我的價(jià)值。布魯諾臨刑前的最后一句話2022/8/23 盡管日心說(shuō)理論與

9、觀察數(shù)據(jù)一致，但還是遭受到一些基于觀察的反對(duì)：哥白尼指出： 這些問(wèn)題在托勒密宏大的旋轉(zhuǎn)星體球殼中更為顯著。 地球如此之大怎么能運(yùn)動(dòng)呢？ 是什么維持它的運(yùn)動(dòng)？ 飛鳥(niǎo)和云朵為什么不落在它的后面？ 為什么物體不被甩出地球？哥白尼實(shí)際假定了天上與地上的自然定律是一致的哥白尼天文學(xué)使科學(xué)走向了牛頓物理學(xué)日心宇宙觀2022/8/233. 開(kāi)普勒理論：太陽(yáng)為焦點(diǎn)的宇宙開(kāi)普勒理論第谷 布拉赫15461601丹麥天文學(xué)家，他是一個(gè)實(shí)干家，他幾十年如一日，準(zhǔn)確地觀測(cè)和記錄了行星的位置和運(yùn)動(dòng)情況。2022/8/23開(kāi)普勒理論第谷的測(cè)量數(shù)據(jù)與托勒密和哥白尼都不相符。用測(cè)量檢驗(yàn)理論2022/8/23開(kāi)普勒理論 開(kāi)普勒花

10、了整整十年時(shí)間，整理和分析了第谷的數(shù)據(jù)，把第谷以地球?yàn)榛鶞?zhǔn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太陽(yáng)為基準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)哥白尼的理論和第谷的數(shù)據(jù)不符。最接近第谷數(shù)據(jù)的哥白尼軌道仍然差8。 開(kāi)普勒Kepler, 1571-1630是一位相信哥白尼學(xué)說(shuō)的德國(guó)數(shù)學(xué)家，天文學(xué)家。2022/8/23開(kāi)普勒理論 那樣頑固執(zhí)拗地相信圓，這個(gè)錯(cuò)誤困擾了天文學(xué) 2000 年之久，也許在思想史上找不到另外的例子了。 克斯特勒，20世紀(jì)作家和科學(xué)史家 開(kāi)普勒回絕了哥白尼理論，開(kāi)場(chǎng)研究既非圓周也非勻速的行星運(yùn)動(dòng)。2022/8/23有關(guān)歐元硬幣的小知識(shí)歐元硬幣的正面圖案采用的是統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方案，反面那么由各發(fā)行成員國(guó)自行定奪。 但丁畫(huà)像 莫扎特像

11、勃蘭登堡門播種的女人2022/8/23開(kāi)普勒理論 開(kāi)普勒?qǐng)?jiān)信上帝是按照完美的數(shù)學(xué)原那么創(chuàng)造世界的。他富有想象力，擅長(zhǎng)抽象思維和理論分析。認(rèn)為規(guī)律愈簡(jiǎn)單，從數(shù)學(xué)上看愈好，就愈接近自然。 開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)用柏拉圖的五種正多面體，正好可以表示出六大行星的軌道半徑。1596年，他在?宇宙的奧秘?一書(shū)中發(fā)表了這一設(shè)想，并受到第谷的賞識(shí)。2022/8/23開(kāi)普勒理論2022/8/23開(kāi)普勒理論 1600年，開(kāi)普勒承受第谷的邀請(qǐng)，前往匈牙利布拉格協(xié)助第谷整理和分析數(shù)據(jù)。 在第谷大量、細(xì)致的天文觀察資料的根底上，開(kāi)普勒經(jīng)過(guò)屢次乏味的嘗試，一次又一次地拋棄了不符合第谷準(zhǔn)確觀察的結(jié)論，終于在1609年出版的?新天文學(xué)?

12、一書(shū)中，發(fā)表了描繪火星運(yùn)動(dòng)的第一、第二定律。1619年，開(kāi)普勒出版了?宇宙和諧論?一書(shū)，將他已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的描繪火星運(yùn)動(dòng)的兩大定律推廣到太陽(yáng)系的所有行星，同時(shí)公布了第三定律。2022/8/23開(kāi)普勒理論2022/8/23開(kāi)普勒理論開(kāi)普勒三定律：1. 行星沿橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。2. 太陽(yáng)到行星的矢徑在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積相等。3. 行星繞日一周所需要時(shí)間的平方，與其和太陽(yáng)平均間隔 的立方成正比。2022/8/23水星 金星 地球 火星 木星 土星T 0.241 0.615 1 1.881 11.862 29.457D 0.387 0.723 1 1.524 5.203 9.

13、539T2 0.058 0.378 1 3.54 140.7 867.7D3 0.05796 0.3779 1 3.54 140.85 867.85開(kāi)普勒理論2022/8/23開(kāi)普勒理論 開(kāi)普勒的驚人成就，是證實(shí)下面這條真理的一個(gè)特別美妙的例子，這條真理是，知識(shí)不能單從經(jīng)歷得出，而只能從理智的創(chuàng)造同觀察到的事實(shí)兩者的比較中得出。 愛(ài)因斯坦 開(kāi)普勒被譽(yù)為“天空立法者，是中世紀(jì)科學(xué)與近代科學(xué)的分水嶺。2022/8/234. 亞里士多德物理學(xué)亞里士多德物理學(xué)古希臘哲學(xué)家和科學(xué)家亞里士多德公元前 384 前322年 亞里士多德 第一個(gè)對(duì)古代科學(xué)的進(jìn)展做了總結(jié)。他也是第一個(gè)試圖建立力學(xué)普遍定律的人。他的

14、理論和我們通常的直觀想法一致。亞里士多德物理學(xué)常識(shí)性看法 亞里士多德認(rèn)為：地球是絕對(duì)靜止的物體，而相對(duì)于地球 的運(yùn)動(dòng)看作絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。2022/8/23亞里士多德物理學(xué)亞里士多德認(rèn)為運(yùn)動(dòng)分為兩類：自然運(yùn)動(dòng)強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng) 自然運(yùn)動(dòng)：每個(gè)物體都有自己的固有位置，偏離固有位置的物體將趨向固有位置。地上物體的自然運(yùn)動(dòng)沿直線，輕者上升，重者下降；天體的自然運(yùn)動(dòng)永久地沿圓周運(yùn)動(dòng)。 受迫運(yùn)動(dòng)：物體在推或拉的外力作用下發(fā)生的，沒(méi)有外力，運(yùn)動(dòng)會(huì)停頓。2022/8/23亞里士多德物理學(xué) 箭是在弓弦的作用下飛出的。然而脫弦之后，箭周圍的空氣擠向被箭排開(kāi)的尾部真空，推動(dòng)著箭前進(jìn)。正像在浴缸里用手捏肥皂的一端，肥皂滑出后被推動(dòng)在

15、水中前進(jìn)一樣。2022/8/23亞里士多德物理學(xué)2022/8/23亞里士多德物理學(xué)亞里士多德是如何解釋以下事實(shí)的： 石頭豎直向下落 你在地板上推動(dòng)一個(gè)箱子 木頭浮在水面亞里士多德物理的困難： 下落快慢的問(wèn)題 拋體運(yùn)動(dòng) 排除真空的存在 強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)需要施力者2022/8/235. 伽利略的奉獻(xiàn)伽利略的奉獻(xiàn) 伽利略幫助推翻了亞里士多德物理學(xué)，推動(dòng)了對(duì)慣性定律的明確表述牛頓物理學(xué)的根底； 在天文學(xué)上有許多重大發(fā)現(xiàn)為新的哥白尼宇宙提供支持； 首先對(duì)運(yùn)動(dòng)做了實(shí)驗(yàn)與和理論研究開(kāi)展與支持了科學(xué)方法論。伽利略(Galilei, 1564-1642)意大利天文學(xué)家、物理學(xué)家，近代科學(xué)之父2022/8/23伽利略的奉

16、獻(xiàn) 科學(xué)方法論，即科學(xué)的行事方式：觀念不是從追隨權(quán)威而得到的，而是從經(jīng)歷和理性思維中獲得的。 伽利略的方法對(duì)科學(xué)一直起著關(guān)鍵的作用，這些方法包括： 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) 對(duì)現(xiàn)實(shí)世界條件的理想化 限制研究范圍 定量方法2022/8/23伽利略的奉獻(xiàn) 1609年伽利略設(shè)計(jì)并制造的兩架望遠(yuǎn)鏡。其中，那架小的可以放大14倍，而那架大的可放大20倍。2022/8/23伽利略的奉獻(xiàn)2022/8/232022/8/23伽利略的奉獻(xiàn)伽利略通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀察到： 發(fā)現(xiàn)月球外表并非完美無(wú)缺，而是有大山和平原，有類似火山口的環(huán)形山，與地球外表構(gòu)造一樣； 發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星； 發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)的黑子及其挪動(dòng)的變化，證明了太陽(yáng)的自轉(zhuǎn)； 發(fā)現(xiàn)了

17、銀河是由無(wú)數(shù)星星組成，揭開(kāi)了這個(gè)千古啞迷。 人們傳誦著：“哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸，伽利略發(fā)現(xiàn)了新宇宙。月球表面木星太陽(yáng)黑子銀河2022/8/23伽利略的奉獻(xiàn) 伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀察到了金星的“滿盈相，從而推翻了托勒密的地心說(shuō)理論。2022/8/23伽利略的奉獻(xiàn) 該書(shū)是科學(xué)上的名著，伽利略花了8年時(shí)間完成的，在書(shū)中，伽利略再次以科學(xué)為武器向上帝和神學(xué)的宇宙體系發(fā)起挑戰(zhàn)。2022/8/23伽利略的奉獻(xiàn) 對(duì)話出版后6個(gè)月，教會(huì)突然下令禁書(shū)而且傳訊伽利略。1633年，宗教法庭最后判決伽利略終身監(jiān)禁。 300年后，羅馬教皇保羅二世提出為伽利略平反，1980年正式宣布當(dāng)年教會(huì)壓制伽利略的意見(jiàn)是錯(cuò)誤的。2022/8

18、/23教皇約翰保羅二世1920-2005 1994?時(shí)代?年度風(fēng)云人物：保羅二世 2022/8/232022/8/232022/8/232022/8/232022/8/23伽利略的奉獻(xiàn)落體的加速度與其重量無(wú)關(guān)比薩斜塔2022/8/23伽利略的奉獻(xiàn)力并不是物體維持運(yùn)動(dòng)的原因 一個(gè)無(wú)外界幫助的物體，假設(shè)原來(lái)是運(yùn)動(dòng)的，將保持運(yùn)動(dòng)；假設(shè)原來(lái)是靜止的，將保持靜止。研究程度運(yùn)動(dòng)的理想實(shí)驗(yàn)2022/8/23伽利略的奉獻(xiàn) 伽利略把實(shí)驗(yàn)和邏輯推理和諧地結(jié)合在一起，構(gòu)成了一套完好的科學(xué)研究方法。對(duì)現(xiàn)象的一般觀察提出假設(shè)運(yùn)用數(shù)學(xué)和邏輯進(jìn)行推理實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)形成理論 伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所應(yīng)用的 科學(xué)的推理方法是人類思想史上

19、最 偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理 學(xué)的真正開(kāi)端。 愛(ài)因斯坦2022/8/236. 物質(zhì)世界的空間尺度與時(shí)標(biāo)空間尺度與時(shí)標(biāo)“日行八萬(wàn)里指的是地球的周長(zhǎng)，“上下五千年指的是人類文明史。 空間反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的廣延性空間中兩點(diǎn)的間隔 為長(zhǎng)度，人類選擇與自身大小相適應(yīng)的“米作為長(zhǎng)度的根本單位。 2022/8/23空間尺度與時(shí)標(biāo)國(guó)際上對(duì)長(zhǎng)度基準(zhǔn)“米的定義已作過(guò)三次規(guī)定： 第一次，1889年，第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)：將保存在法國(guó)的國(guó)際計(jì)量局中鉑銥合金棒在0時(shí)兩條刻線間的間隔 定義為1米，稱為長(zhǎng)度的實(shí)物基準(zhǔn)。第二次，1960年，第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定用氪86原子的橙黃色光波來(lái)定義“米，規(guī)定米為這種光的波長(zhǎng)的倍。第三次，1983年，第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)：米是光在真空中1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行路程的長(zhǎng)度。規(guī)定真空中光速值c=299792458米/秒。2022/8/23空間尺度與時(shí)標(biāo)空間尺度（米）實(shí)物1026宇宙引力半徑1023星系團(tuán)1020地球到銀河系中心的距離1016地球到最近恒星的距離1011地球到太陽(yáng)的距離109太陽(yáng)的半徑108地球到月亮的距離106地球半徑103地球上高山100人的身高10-5細(xì)菌10-8大分子10-10原子10-15核子物質(zhì)世界的空間尺度2022/8/23空間尺度與時(shí)標(biāo)E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E